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过程控制复习资料

过程控制系统课后习题解答（不完全版注：

红色为未作答题目）

1.1过程控制系统中有哪些类型的被控量？

答：

被控量在工业生产过程中体现的物流性质和操作条件的信息。

如：

温度、压力、流量、物位、液位、物性、成分。

1.2过程控制系统有哪些基本单元组成？

与运动控制系统有无区别？

答：

被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件构成。

过程控制系统中的被控对象是多样的，而运动控制系统是某个对象的具体控制。

1.3简述计算机过程控制系统的特点与发展。

答：

特点：

被控过程的多样性，控制方案的多样性，慢过程，参数控制以及定值控制是过程控制系统的主要特点。

发展：

二十世纪六十年代中期，直接数字控制系统（DDC），计算机监控系统（SCC）；二十世纪七十年代中期，标准信号为4~20mA的DDZⅢ型仪表、DCS、PLC；八十年代以来，DCS成为流行的过程控制系统。

1.4衰减比η和衰减率Ψ可以表征过程控制系统的什么性能？

答：

二者是衡量震荡过程控制系统的过程衰减程度的指标。

1.5最大动态偏差与超调量有何异同之处？

答：

最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，一般表现在过渡过程开始的第一个波峰，最大动态偏差站被控量稳态值的百分比称为超调量，二者均可作为过程控制系统动态准确性的衡量指标。

2.2通常描述对象动态特性的方法有哪些？

答：

测定动态特性的时域方法；测定动态特性的频域方法；测定动态特性的统计相关方法。

2.4单容对象的放大系数K和时间常数T各与哪些因素有关，试从物理概念上加以说明，并解释K，T的大小对动态特性的影响？

答：

T反应对象响应速度的快慢，T越大，对象响应速度越慢，动态特性越差。

K是系统的稳态指标，K越大，系统的灵敏度越高，动态特性越好。

2.5对象的纯滞后时间产生的原因是什么？

答：

由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一段距离，产生纯滞后时间。

附：

常见的过程动态特性类型有哪几种？

各可通过什么传递函数来表示？

答：

（1）单容对象动态特性（有自平衡能力），用一阶惯性环节表示传递函数

；

（2）无自平衡能力单容对象的动态特性，传递函数用一个积分换届表示

；（3）具有纯延迟的单容对象特性，多了一个延迟因子

表示传递函数

；（4）多容对象的动态特性（具有自平衡能力），传递函数

其中

为n个相互独立的多容对象的时间常数，总放大系数为K；（5）无自平衡能力的双容对象，传递函数为一个积分环节与一个一阶惯性环节之积，

，对于多容对象，若有纯延迟则类似于单容对象，传递函数多一个延迟因子

；（6）相互作用的双容对象，

3.1简述流量检测的基本原理，流量的测量与哪些因素有关？

答：

在管道中流动的流体具有动能和位能，并在一定条件下这两种形式的能量可以互相转换，但参加转换的能量总和是不变的，利用节流元件进行流量检测是基于此原理；流量的测量与流量系数、可膨胀系数、节流装置开孔截面积，流体流经节流元件前的密度、节流元件前后压力差有关。

3.2简述流量调节中调节阀的几种理想特性。

答：

①当调节阀两端压差不变时，阀的可调比称为理想可调比

，其中Qmax是调节阀可控的上限值，Qmin是调节阀可控的下限值，R是理想可调比，理想可调比是调节阀的一个重要特性。

②理想流量特性是阀前后压差保持不变的特性，主要有直线、对数、抛物线、快开等。

直线流量特性

，对数流量特性

，抛物线流量特性

，快开流量特性

。

附1被控变量与控制变量选择的原则有哪些？

答：

原则如下①选择对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量②选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量③在以上前提下，选择与控制（或操作）变量之间的传递函数比较简单，利用动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量④有些系统存在控制目标不可测的情况，则可选择其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量作为辅助被控变量。

附2调节阀理想流量特性有哪几种，各有什么特点？

4.1P.I.D控制规律各有何特点？

其中，哪些是有差调节，哪些是无差调节？

为了提高系统的稳定性，消除控制系统的误差，应选用哪些调节规律？

答：

P控制是有差调节，作用速度快，但最终平衡，达到稳定状态；I控制是无差调节，超调量大，不如P控制稳定；D控制是有差调节，有余差，只与偏差变化速度有关。

应选用PI调节规律或PID调节规律以清除控制系统的误差和提高系统稳定性。

4.2试总结调节器P、PI、PD动作规律对系统控制的影响。

4.3什么是积分饱和？

引起积分饱和的原因是什么？

如何消除？

答：

具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化，当偏差始终保持一个方向时，调节器的输出u将因积分作用的不断累加而增大，从而使执行机构达到极限位置Xmax，之后尽管u还在增大，但执行机构已不再动作，这种现象称为积分饱和，原因也在于此。

消除积分饱和的常用方法有①限制PI调节器的输出在规定范围②积分分离法，即人为设定一个限值，在PI调节器的输出超过某一限值时，改用纯P控制③遇限削弱积分法，即人为设一限定，当控制输出大于该限定时，只累加负偏差，反之亦可。

4.4一个控制系统，在比例控制的基础上分别增加①适当的积分作用；②适当的微分作用。

试问：

（1）这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差、余差分别有何影响？

（2）为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例带δ？

说明理由。

答：

（1）情况①稳定性下降，最大动态偏差增加，余差消除；情况②稳定性加强，最大动态偏差减小，余差减小。

（2）PI下：

PD下：

δ增大可得到相同的系统稳定性。

4.5微分动作规律对克服被控对象的纯延迟和容积延迟的效果如何？

对克服外扰的效果又如何？

答：

微分动作规律对克服被控对象纯延迟无效，对容积延迟效果较好，微分动作对外扰有放大作用，对于克服外扰的效果较差。

4.6增大积分时间对控制系统的控制品质有什么影响？

增大微分时间对控制系统的控制品质有什么影响？

4.7某电动比例调节器的测量范围为100~200℃，其输出为0~100mA。

当温度从140℃变化到160℃时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。

试求出该调节器比例带。

解：

。

4.14什么是数字PID位置型控制算法和增量式控制算法？

答：

位置式PID控制算法：

增量式PID控制算法：

4.15为什么在计算机控制装置中通常采用增量式控制算法？

答：

位置式PID控制算法带来的问题对e（k）的累加增大了计算机的存储量和运算的工作量,u（k）的直接输出易造成执行机构的大幅度动作,有些应用场合要求增量式u（k）。

因此在计算机控制装置中通常采用增量式控制算法。

4.16简述积分分离PID算法，它与基本PID算法的区别在哪里？

答：

控制偏差较大时，取消积分作用，以减小超调；控制偏差较小时，再恢复积分作用，以消除余差。

无积分分离算法的输出曲线有较大的超调量，而积分分离PID算法输出曲线超调量较小。

4.17数字PID控制中采样周期的选择要考虑哪些因素？

答：

给定值的变化频率，被控对象的特性，执行机构的类型，控制的回路数

。

附1PID参数整定方法有哪些？

各自有何特点？

过程是什么？

答：

①动态特性参数法：

这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。

使用方法的前提是，广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似

则做实验得对象参数K、T、τ，再根据Z—N调节器参数整定公式求取PID参数。

②稳定边界法。

基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带

和临界振荡周期

，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。

过程如下：

置调节器积分时间

到最大值（

），微分时间

，比例带δ置较大值，使控制系统投入运行。

待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直至系统出现等幅振荡，即所谓临界振荡过程，记下此时比例带

，计算两波峰时间

。

利用按照稳定边界法给出的计算公式，求取调节器各整定参数δ，

，

。

③衰减曲线法：

也是闭环整定方法，整定的依据同稳定边界法，也是纯比例调节下的试验数据，不同的只是这里的试验数据来自系统的衰减振荡，且衰减比特定（通常为4:

1或10:

1），之后就与稳定边界法一样，也是利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。

④经验整定法：

根据经验先选一组控制器参数，将系统投入运行根据运行情况，依经验调整PID参数。

5.1什么是串级控制系统？

请画出串级控制系统的原理方框图。

答：

所谓的串级控制系统，就是采用两个控制器传亮工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主控变量具有更好的控制效果。

5.2试举例说明串级控制系统

克服干扰的工作过程。

答：

以隔焰隧道窑温度——温度串级控制系统为例说

明如下：

控制阀选择“气开”方式。

两个控制器都选择“反”作用方式。

①

当只存在二次干扰时，系统只收到来自燃料压力波动的干扰，例如燃料压力

波动的干扰，例如燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，但是燃料的

流量增大了，引起燃烧室温度T2升高，经副温度检测变送后，副控制器接

受的测量值增大。

根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式

的控制阀门将被关小，燃料流量被调节回稳定状态。

②当只存在一次干扰，

系统只受到来自窑车速度干扰，例如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成

带温度T1的降低，对于主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”

作用，它的输出必然增大，副控制器的设定值增大了。

等效于副控制器设定

值不变，而测量值减小，控制器“反”作用，其输出将增大，“气开”式控制

阀增大，使窑内烧成带温度回开为设定值。

对于一次、二次干扰同时存在，

主副控制器共同调节。

5.3串级控制系统与单回路控制系统相比有什么特点？

答：

（1）由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时。

（2）提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了。

（3）对二次干扰具有很强的克服能力，对克服一次干扰的能力也有一定的提高。

（4）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力。

5.4串级控制系统的副变量选择原则有哪些？

答：

（1）应使主要的和更多的干扰落入副回路中。

（2）应使主副对象的时间常数匹配。

（3）应考虑工艺上的合理性、可能性、经济性。

5.7串级控制系统多用于哪些场合？

答：

凡是由单回路控制系统能够满足过程控制要求时，就不必采用串级控制系统。

在以下场合应用串级控制系统：

①克服变化剧烈和幅度大的干扰②克服对象的纯滞后③克服对象的容量滞后④克服对象的非线性⑤自校正设定值。

6.1比值控制系统的结构形式有哪几种？

对应的工艺流程图和原理方框图如何画？

工作过程各怎样？

答：

（1）开环比值控制系统：

工作过程：

稳态时，两物料流量满足Q2=KQ1的关系；当主动量Q1由于受到干扰而发生变化时，比值器根据Q1，对设定值的偏差情况，按比例去改变控制阀的开度，使从动量变化Q2，与变化后Q1保持原比例，但当Q2受外界干扰发生波动时，Q1，Q2比例遭到破坏。

（2）单闭环比值控制系统

工作过程：

稳态下，两物料满足Q2=KQ1的比值关系。

当主动量不变时，比值控制器的输出不变，此时从动量回路是一个定值控制系统；如果从动量Q2受到外界干扰发生变化时，经过从动量回路的控制作用，把变化了的Q2再调回到稳态值，从而维持了Q1，Q2的比值关系；当主动量受到干扰发生变化时，比值器经过比例运算输出也发生了变化。

从动量回路是一个随动控制系统，它将使从动量Q2随主动量Q1的变化而变化，使Q1Q2仍维持原来的比值关系。

（3）双闭环比值控制系统

工作过程：

当主动量受到干扰发生波动时，主动量回路对其进行定值控制，从而使主动量始终稳定在设定值附近，而从动量回路是一个随动控制系统，主动量Q1变化时，通过比值器输出使从动量控制器设定值改变，使Q2随Q1变化而变化；当从动量Q2受到干扰，和单闭环比值控制系统一样经过从动量的调节，使从动量稳定在比值器输出值上。

（4）变比值控制系统

6.2主、从动量的选择原则是什么？

答：

在实际生产中，如果一个流量是可控的，另一个流量是不可控的，可以组成单闭环比值控制系统，不可控的流量作为主动量Q1，可控的流量作为从动量Q2.如果二者均可控，可组成双闭环比值控制系统。

选择原则如下：

（1）分析两物料的供应情况，将有可能供应不足的物料流量作为主动量，供应充足的物料流量作为从动量。

（2）将对产生负荷起关键作用的物料作为主动量。

（3）从安全角度出发，分析两种物料流量分别在失控下，必须保持比值一定情况下的物料流量作为主动量。

6.7设置均匀控制的目的是什么？

均匀控制系统有哪些特点？

答：

目的：

使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地，均匀地变化，使前后设备在物料的供求上相互兼顾，均匀协调。

特点，①两个被控变量都应该是变化的②两个被控变量的调节过程都应该是缓慢的③两个被控变量应在工艺允许的操作范围内。

6.8如何对均匀控制系统进行参数整定？

答：

比例度要宽、积分时间要长，通过“看曲线”，“整参数”，使液位和流量达到均匀协调的最终目的。

主要原则是一个“慢”字。

均匀控制系统要整定的控制器是一个，可按照单回路控制系统的整定方法进行。

6.9分程控制有哪些用途？

如何解决两个分程信号衔接处流量特性的折点现象？

答：

用途：

①分程控制用于扩大控制阀的可调比②满足工艺上的特殊要求。

解决方法：

为了使总流量特性达到平稳过渡，可采取如下方法：

（1）两个线性流量特性的阀并联分程使用本法是先根据单个分程阀的特性找寻组合后的总流量特性，再根据单个分程阀的特性与组合总流量特性的关系找出响应的分程点，确定各分程阀的分程信号。

（2）两个对数流量特性的阀并联分程使用如果使用两个对数流量特性的阀进行并联分程，效果要比两个线性阀分程好得多。

6.10设置选择性控制的目的是什么？

有哪些类型？

答：

目的：

起自动保护作用，是一种“软保护”措施。

分类：

根据选择器在控制回路中的位置可分为两类，一类是选择器接在控制器与执行器之间，另一类是选择器接在变送器与控制器之间。

根据选择性控制系统中被选择的变量性质，也可分为以下三类：

1、对被控变量的选择性控制系统2、对操纵变量的选择性控制系统3、对测量信号的选择。

7.1前馈控制与反馈控制各有什么特点？

在前馈控制中，如何达到全补偿？

静态前馈与动态前馈有什么联系和区别？

答：

（1）反馈控制~按被控量的偏差进行控制，即控制器的输入是被控量的偏差。

所以，反馈控制作用期间系统是偏离设定值的，即被控量是受扰动影响的。

前馈控制~按扰动量的变化进行控制，即控制器的输入是扰动量。

“前馈”的意思：

根据扰动量的大小（而非被控量反馈后得到的偏差）来直接改变控制量，以抵消或减小扰动对被控量的影响。

（2）确定前馈控制器的控制规律。

（3）静态前馈的输出是输入信号的函数，而与时间无关，动态前馈可以很好地补偿动态误差，不仅保证了系统的静态偏差等于或接近0，而且保证系统动态偏差等于或接近0.当被控对象的控制通道和干扰通道相同，动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统，静态前馈控制只是动态前馈控制的特例。

7.2前馈控制有哪些结构形式？

在工业控制中为什么很少单独使用前馈控制，而选用前馈-反馈控制系统？

答：

结构形式有静态前馈控制；动态前馈控制；前馈-反馈控制；前馈-串级控制。

单纯的前馈控制只能对指定的扰动量进行补偿；对指定的扰动量，由于环节或系统数学模型的简化、工况的变化以及对象特性的漂移等，也很难实现完全补偿。

前馈—反馈控制前馈控制器用来消除主要扰动量的影响；反馈控制器则用来消除前馈控制器不精确和其它不可测干扰所产生的影响。

8.1常用的解耦设计方法有哪几种？

试说明其优缺点。

答：

①前馈补偿解耦法：

经分析：

若对扰动量能实现前馈补偿全解耦，则参考输入与对象输出之间就不能实现解耦。

因此，单独采用前馈补偿解耦一般不能同时实现对扰动量以及参考输入对输出的解耦。

②反馈解耦法：

在反馈解耦系统中，解耦器通常配置在反馈通道上，而不是配置在系统的前向通道上。

反馈解耦方式只采用P规范解耦结构，但被控对象可以使P规范结构或V规范结构，可以实现完全解耦。

③对角阵解耦法：

对角阵解耦设计是一种常见的解耦方法。

它要求被控对象特性矩阵与解耦环节矩阵的乘积等于对角阵。

对于两变量以上的耦合系统，经过类似的矩阵运算就能求出解耦器的数学模型。

但变量越多，解耦器的模型越复杂，解耦器实现的难度越大。

④单位阵解耦法：

单位阵解耦设计是对角阵解耦设计的一种特殊情况。

它要求被控对象特性矩阵与解耦环节矩阵的乘积等于单位阵。

除了能获得优良的解耦效果外，还能提高控制质量，减小动态偏差，加快响应速度，缩短调节时间。

附1：

常用减少、消除耦合的方法:

1.提高调节器增益

2.选用变量的最佳配对

3.采用解耦控制

9.3与9.4略

12.1集散控制系统产生的原因是什么？

为什么集散控制系统能得到广泛应用？

答：

控制系统的发展历史实际上经历了一个由控制分散、管理分散，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的过程。

集散控制系统的应用大幅度地提高了生产过程的安全性、经济性、稳定性和可靠性。

它有很多优点：

1、适应性和扩展性好；2、控制能力强；3、人机联系手段较为先进；

4、可靠性好；5、可维修性好；6、安装费用低。

12.2与直接数字控制系统比较，集散控制系统的优点是什么？

答：

同上12.1。

12.5什么是集散控制系统？

它的主要特点是什么？

答：

它是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组建组装式仪表之后的新一代控制系统。

特点如上。

12.7集散控制系统一般由哪几部分组成？

各自主要功能是什么？

答：

系统中的所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：

现场级、控制级、监控级和管理级。

对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络FNET（FieldNetwork）控制网络CNET（ControlNetwork）监控网络SNET（SupervisionNetwork）和管理网络MNET（ManagementNetwork）把相应的设备连接在一起。

现场级：

典型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号。

目前现场级的信息传递有三种方式：

传统的4-20mA（或其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式另一种是现场总线的全数字量传输方式还有一种是在4-20mA模拟量信号上，叠加上调制后的数字量信号的混合传输方式。

控制级：

控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。

过程控制站接收由现场设备，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。

数据采集站接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去。

监控级：

主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。

运行员操作站安装在中央控制室，工程师工作站和计算站一般安装在电子设备室。

管理级：

包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，可能是若干个机组的管理计算机。

它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理或运行管理人员。